不同龄组杉木人工林土壤有机碳贮量及分布特征

曹小玉，李际平

（中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004）

不同龄组杉木人工林土壤有机碳贮量及分布特征

曹小玉，李际平

（中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004）

对比分析了福寿林场3个龄组杉木人工林0～60 cm土层内土壤碳贮量及其土层分布特征，结果表明：1）3个龄组杉木人工林土壤有机碳含量都表现出随土壤深度增加而逐渐减小的趋势，土层0～20 cm有机碳含量最高，为29.07～35.27 g·kg-1，是土层20～30 cm和土层30～45 cm的1～2倍和3～4倍，而土层（45～60 cm）的有机碳含量最少，为5.03～6.68 g·kg-1。2）3个龄组的人工林0～60 cm土层内平均碳含量和碳贮量都表现出了随着年龄的变化先减少而增加的趋势，其平均碳含量的次序依次为成熟林（16.65 g·kg-1）＞幼龄林（14.78 g·kg-1）＞中龄林（13.36 g·kg-1）；碳贮量大小顺序依次为成熟林（79.59 t·hm-2）＞幼龄林（64.78 t·hm-2）＞中龄林（64.74 t·hm-2），3）在0～45 cm范围的土层内，3个龄组的杉木人工林的土壤碳贮量占土壤总碳贮量的百分比在86%～91%之间，说明杉木人工林土壤碳贮量主要集中在这个土层深度内。

杉木人工林；土壤有机碳；土壤碳密度；龄组

森林是地球上最大的陆地生态系统，也是地球上最主要的碳库之一，其土壤中的碳占全球土壤碳库的73%[1-2]，因此，森林土壤碳平衡对于维持全球碳平衡和调节大气中CO2的浓度有着非常重要的作用[3]。大量的研究表明，营造人工林可以减缓大气中CO2浓度的升高[4-5]，杉木人工林作为我国南方最主要造林树种，其面积约占我国南方森林面积的30%以上，研究杉木人工林土壤有机碳的变化特征能够为准确评价我国人工林土壤碳含量及碳密度奠定必要的科学基础，为此，本文以杉木人工林为研究对象，探讨不同发育阶段的杉木人工林碳贮量及其变化特征，旨在揭示杉木人工林碳循环规律，为杉木人工林碳库的经营和管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

福寿林场位于平江县南部的福寿山上，地处北 纬 28°03′00″～ 28°32′30″， 东 经 113°41′15″～113°45′00″之间。东接献冲森工林场，北连思村乡尚山村，西邻思村乡五等村，南抵浏阳市。总面积为1274.9 hm2，其中国有山林1 133.9 hm2，集体山林面积141 hm2。处于中亚热带向北亚热带过渡的气候带，属湿润的大陆性季风气候。年平均气温12.1℃极端最高气温33.4℃最低气温为-15℃，年日照1 500 h，无霜期217 d，有效积温4 547℃，年相对湿度87%。地势南高北低，最高峰轿顶山，海拔1 573.2 m，最低处为湖口峡底，海拔835 m，林场场部海拔1 078 m。山体下部多陡峭，中部较平缓，上部较陡，平均坡度为22～27°，形成群山重叠，起伏绵延的中山地貌。林地土层深厚肥沃，腐殖质较丰富。场内海拔800 m以下的土壤为山地黄壤；800～1 400 m为山地黄棕壤；海拔1 400 m以上的山顶、山脊有小块草甸土。场内植被繁茂，群落较多。有木本植物55科，275种。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置及取样方法

在福寿林场范围内，通过现场勘查，在杉木幼龄林、中龄林、成熟林3种类型的林分内分别设置3块样地，（表1）每个样地内分别设置3块20×30 m 的标准地，每个标准地内随机挖取3个有代表性的土壤剖面，分层（0～20 cm，20～30 cm，30～45 cm，45～60 cm）采取土样，用于测定土壤有机碳含量，同时，在土壤剖面用环刀分层采取土壤用于土壤容重的测定。

表1 调查样地基本情况Table 1 Basic information of sample plots

1.2.2 测定方法

土壤容重采用常用的环刀法来测定，土壤有机碳采用重铬酸钾容量法[6]。

1.2.3 土壤有机碳贮量的计算

土壤有机碳贮量指的是单位面积一定深度的土层中有机碳的总量[7]，其计算公式为：

Wi=Di×Ei×S×Ai。 （1）

式中：Di为第i层土层的容重（g·cm-3），Ei为第i层土层的厚度（cm），S为面积（hm2），Ai为第i层土层的C含量（g·kg-1）。

1.2.4 数据处理分析

利用Excel和统计软件SPSS17.0对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤容重的变化

从整体上看，3种龄组杉木人工林的土壤容重存在着差异，但差异不明显（表2），全部土层平均容重以成熟林最大，为1.279 g·cm-3，为幼龄林的1.11倍和成熟林的1.03倍，在土壤层（0～20 cm），幼龄林、中龄林和成熟林的土壤容重依次为 1.053，1.148 和 1.088 g·cm-3，中龄林＞成熟林＞幼龄林。在土层（20～30 cm、30～45 cm），土壤的容重表现出了跟年龄一样的增长趋势，成熟林＞中龄林＞幼龄林。在土层（45～60 cm），3种龄组的林分类型的土壤容重几乎没有差异。

表2 不同龄组杉木人工林土壤容重Table 2 Soil bulk density of different age-group Chinese fir plantation

另一方面，3种林分都表现出了随着土层深度的增加土壤容重也表现出了逐渐增加的趋势（图1）。幼龄林、中龄林和成熟林（45～60 cm）土层的容重是（0～20 cm）土层的1.26、1.15和1.27倍，土体表现出上松下紧的规律。

2.2 土壤有机碳含量

根据（图2）可知，不同龄组的杉木人工林土壤有机碳含量表现出随土壤深度增加而逐渐减小的规律。土层（0～20 cm）有机碳含量最高，为29.07～35.27 g·kg-1，是土层（20～30 cm）和土层（30～45 cm）的1～2倍和3～4倍。而土层（45～60 cm）的有机碳含量最少，为5.03～6.68 g·kg-1。这符合土壤有机碳垂直分布的一般规律[8]。表层土壤有机碳含量高，主要是因为大量的死根腐烂和地上凋落物分解为土壤提供了丰富的碳源。

图1 不同龄组杉木人工林土壤容重差异比较Fig.1 Comparison of soil bulk density among different age-groups Chinese fi r plantation

图2 不同龄组杉木人工林土壤有机碳含量变化Fig.2 Comparison of soil organic carbon storage of different age-group Chinese fi r plantation

表3 不同龄组杉木人工林土壤有机碳含量Table 3 Storage of soil organic carbon of different agegroup Chinese fir plantation

从表3可以看出，在0～45 cm范围的深度内，不同龄组同一土层的有机碳含量表现出了幼龄林较高，中龄林减少。而成熟林又逐渐增加的趋势，这是由于随着林分年龄的变化，林下植被的盖度、林分的密度和郁闭度也发生了变化导致的[9]。在土层（0～20 cm，20～30 cm）成熟林的土壤有机碳含量最高，分别为中龄林和幼龄林的1.21倍、1.1倍和1.62倍、1.56倍，在土层（30～45 cm，50～60 cm），幼龄林的土壤有机碳含量最高，分别为中龄林、成熟林的1.24、1.16倍和1.11倍、1.33倍。

2.3 土壤有机碳贮量

从表4可知，不同龄组（幼龄林、中龄林、成熟林）杉木人工林土壤总的碳贮量依次为64.78、64.74、79.59 t·hm-2，成熟林＞幼龄林＞中龄林。在同一个土壤层，不同龄组的土壤有机碳贮量变化没有规律性，主要是因为土壤碳储量的变化不仅仅受到土壤容重的影响，还受到土壤碳含量的影响。

表4 不同龄组杉木人工林土壤有机碳贮量Table 4 Soil organic carbon storage of different age-group Chinese fir plantation

但同一龄组的杉木人工林的土壤碳贮量，呈现出随着土层深度的增加碳贮量逐而减少的趋势(图3)，土层（0～20 cm）的碳贮量最大，占土壤碳贮量的百分比依次为幼龄林（52.11%）＞中龄林（51.54%）＞成熟林（48.20%），平均为（50.62%），占到了土壤碳储量总量的一半，土层（20～30cm）占土壤碳贮量的百分比依次为成熟林（31.53%）＞中龄林（22.24%）＞幼龄林（19.54%）。变化幅度比较大。土层（45～60 cm）的最小，占土壤碳贮量的百分比的比重在8.72%～13.7%之间。这主要是土层（0～45 cm）是杉木根系集中分布区，大量腐解的死根为土壤提供了很多碳源，大量的地表枯落物也是土壤重要的碳源。

图3 不同龄组杉木人工林土壤有机碳贮量变化Fig.3 Comparison of soil organic carbon storage of different age-group Chinese fi r plantation

3 结论与讨论

（1） 3种龄组杉木人工林的土壤容重存在着差异，但差异不明显，全部土层平均容重以成熟林最大，为1.279 g·cm-3，为幼龄林的1.11倍和成熟林的1.03倍。另一方面，都表现出了随着土层深度的增加土壤容重也表现出了逐渐增加的趋势，土体表现出上松下紧的规律。

（2）3种龄组的杉木人工林土壤有机碳含量表现出随土壤深度增加而逐渐减小的规律[11]。土层（0～20 cm）有机碳含量最高，为29.07～35.27 g·kg-1，是土层（20～30cm）和土层（30～45 cm）的1～2倍和3～4倍，符合土壤有机碳垂直分布的一般规律，在0～45 cm范围的深度内，不同龄组同一土层的有机碳含量表现出了幼龄林较高，中龄林减少，而成熟林又逐渐增加的趋势，这与很多专家学者的研究结论基本相同，[12-13]这是由于随着林分年龄的变化，林下植被的盖度、林分的密度和郁闭度也发生了变化导致的。在幼龄林阶段，缺少枯枝落叶，土壤的矿化作用和表层土壤的侵蚀作用增强，土壤有机质减少，随着年龄的增加，土壤中的凋落物、微生物、活性酶及养分大幅增加，导致土壤有机质增加，这也说明杉木幼龄林阶段土壤处于退化过程中，到中龄林阶段才能逐渐恢复。

（3）幼龄林、中龄林、成熟林3种杉木人工林土壤总的碳贮量依次为64.78、64.74、79.59 t·hm-2，成熟林＞幼龄林＞中龄林。另一方面，同一龄组的杉木人工林的土壤碳贮量，呈现出随着土层深度的增加碳贮量逐而减少的趋势，在0～45 cm范围的深度内，占土壤碳贮量的百分比在86%～91%，说明杉木人工林土壤碳贮量主要集中在这个土层深度内。这主要是土层（0～45 cm）是杉木根系集中分布区，大量腐解的死根为土壤提供了很多碳源，大量的地表枯落物也是土壤重要的碳源。

（4）森林土壤碳贮量的大小除了受自然环境因素的影响，还与人为活动的干扰有关，大量的研究表明，人工林土壤碳贮量小于常绿阔叶天然林，因此，减少人为活动对森林的干扰也是改善土壤碳贮量的一个有效措施。

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Storage and distribution of soil organic carbon in different age-group Chinese fi r plantations

CAO Xiao-yu, LI Ji-ping
(School of Forestry, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

A comparative investigation was made to study storage and distribution of soil organic carbon in Chinese fir plantation ecosystems of three age-group in 0～60 cm soil layer in Fushou Forest Farm. The results show that: (1) the prof i le SOC declined along with the soil depths increased in three age-group fi r plantation, the storage of SOC in 0～20 cm soil layer was highest from 29.07 g·kg-1to 35.27 g·kg-1, being from 1 to 2 times as much as those in 20 ～ 30 cm and from 3 to 4 times as much as those in 30 ～ 45 cm,respectively. However, the storage of SOC in 45 ～ 60 cm soil layer was lowest from 5.03 g·kg-1to 6.68 g·kg-1. (2) the average storage of SOC in 0～60 cm soil layer and carbon density decreased fi rst and increased afterwards, the average storage of SOC varied in the order of mature (16.65 g·kg-1)＞ young (14.78 g·kg-1)＞ middle-aged (13.36 g·kg-1) and the carbon density varied in the order of mature (79.59 t·hm-2) ＞ young (64.78 t·hm-2) ＞ middle-aged (64.74 t·hm-2). (3) the storage of SOC were from 86% to 91% of the total storage of SOC in 0～45 cm, the soil organic carbon mainly concentrated from 0 to 45 cm soil layer.

Chinese fi r plantation; soil organic carbon; soil carbon density; age-group

S714.5；S791.27

A

1673-923X(2014)07-0104-04

2014-03-10

国家“十二五”科技支撑计划专题（2012BAD22B0505）；湖南省教育厅项目（12C0440）

曹小玉（1977-），男，甘肃灵台人，讲师，博士研究生，主要从事森林经理方面的研究

李际平（1957-），男，湖南醴陵人，教授，博导，主要从事林业系统工程方面的研究；E-mail：lijiping@vip.163.com

[本文编校：吴 毅]